Плотномер Советский патент 1983 года по МПК G01N9/10 

ICA3

зс

Хз

NS

эс ИзЛбретение относится к океаногра фическим измерениям и может бы.ть использовано для определения профиля плотности морской воды вблизи границы раздела море - атмосфера в услови ях волнения. -КрЬме того, оно примени МО для. из 1epeния профиля плотности в устройствах технологического контроля плотности различных жидкостей. Известен проточный виброплотномер содержа11Ий резонирующий цилиндр (внутри которого движется исследуема жидкость), возбудитель и приемник по перечных колебаний стенок цилиндра Г. Указанный виброплотномер сложен в изготовлении, и его применение в морской практике всегда затруднитель но в связи с тем, что база прибора ограничена по высоте, следовательно, измерение профиля плотности проводит им невозможно. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности являетс)я плотномер, содержащий вибрирующий чувствительный элемент, возбуждающие и приемные катушки, оси которых лежат в плоскостях, перпендикулярных чувствительному элементу,расположенному вблизи катушек, предварительный усилитель и регистратор. Чувстзительный элемент выполнен в ви де -цилиндрического резонатора. Цилиндр совершает радиальные колебания на резонансной частоте, которые возбуждаются и поддерживаются цепью попожительной обратной связи,- состоящей из приемника и возбуждающей кату1ики, соединенной со входом усилите ля Г23. Достоинствами данного плотномера являются высок 1Я точность, чувствительность и надежность, непосредственное преобразование искомой плотности в частотный выходной сигнал, возможность применения при высоких давлениях для широкой номенклатуры контролируемых сред. Однако применение частотного плотномера для измере ний на границе раздела вода - воздух в морских условиях связано с непреодолцмыми трудностями: вибрирующий чувствительный элемент должен быть либо полностью погружен в воду, либо граница, по которой происходит раздел вода - воздух, должна быть фиксированной относительно длины чувствител ного элемента. Последнее означает,что измерения должны проходить в штиль, когда поверхность жидкости абсолютно неподвижна, а ёто в морских условиях практически обеспечить нереально. Если же чувствительный элемент попностью пог эузить в воду, то невозможно обеспечить щжвязку последнего к месту измерения - нестационарной границе раздела. Для обеспечения привязки необходимо построить следящую систему, которая обеспечивала бы вертикальное перемещение плотномера с высокой точностью по закону изменения границы раздела в месте измерения. Создание такой системы - чрезвычайно сложная задача. Цель изобретения - повышение точности измерения профиля плотности жидкости вблизи границы раздела жидкость - газ и раоиирение функциональных возможностей измерения. Поставленная цель достигается тем, что в плотномере, содержащем вибрирующий чувствительный элемент, возбуждающую и приемные катушки, оси которых лежат в плоскостях, перпендикулярных чувствительному элементу, расположенному вблизи катушек, предварительный усилитель и регистратф, дополнительно введены резистивный чувствительный элемент, изготовленный из проволоки с высоким омическим сопротивлением и расположенный параллельно вибрирующему чувствительному элементу, сумматЬр, амплитудный селектор, преобразователь сопротивление - частота, смеситель, усилитель мощности, причем выходы приемных катушек соединены с входами сумматора, зыхоц-которого последовательно через предварительный усилитель, амплитудный селектор и усилитель мощности связан с входом возбуждающей катушки, а выход резистивного чувствительного элемента соединен с входсм преобразователя сопротивление - частота, pepвый вход которого соединен с первым входом смесителя, а втедрой выход - с первым входом регистратора, при этом ВТсрой вход смесителя соединен с вторым выходом предварительного усилителя, а выход смесителя соединен с вторым входом регистратора. На фиг.1 представлен один из вов-можных вариантов выполнения плотномера, разрез; на фиг.2 - блок приеЯ1Ных катушек (звукоснимателей), разрез; на фиг.З - функциональная схема плотномера. Корпус плотномера представляет собой трубу 1, к верхней и нижней частям которой прикреплены кронштейны 2. К центральной части корпуса прикреплена возбуждающая катушка 3 с встроенным сердечником (электромагнит). В верхней части корпуса на прутке 4 укреплен блок 5 приёмных катушек в плоскости, перпендикулярной -чувствительному элементу 6. Вибрирующий чувствительный элемент б, выполненный из стального провода, жестко закреплен натяжными винтами 7 на выступах 8, расположенных на кронтейнах 2, и проходит по центру блока 5 приемных катушек. Параллельно вибрирующему чувствительному элементу б на изоляторах 9 закреплен резистивный чувствительный элемент 10, изготовленный из провело ки с высоким омическим сопротивлением. Блок 5 приемных катушек (звукосни мателей) представляет собой индуктив ные катушки 11, внутри которых помещены постоянные магниты 12, креплени катушек 11 осуществляется кольцом 13 Действие звукоснимателей основано на том, что при колебаниях ферромагнитной струны б в магнитном поле в катушке возникает ЭДС, величина которо пропорциональна скорости- изменения магнитного потока. Однако даже идеальный звукосниматель не может точно трансформировать весь спектр частот, воспроизводимый струной, так как струна колеблется в различных плоскостях ( прецессирует) , а направление магнитного поля остает ся неизменным. Следовательно, переда ча звуковых частот не будет линейной что приводит к понижению точности из мерений. Поэтому блок звукоснимателе содержит несколько звукоснимателей, например три, расположенных под углом 120 друг к другу. При этом в какой бы плоскости не происходили колебания струны 6, суммарный сигнал на выходе звукоснимателей всегда содержит весь спектр исследуемых частот. , Блок-схема плотномера (фиг.З) сое тоит из возбуждающей катушки (электромагнита) 3, трех приемиых катушек 11 (звукоснимателей), чувствительного элемента (вибрирующей струны) б, сумматора 14-,предварительного усилителя 15, амплитудного селектора 16, усилителя 17 мощности, резистивного чувствительного элемента 10, преобразователя 18 сопротивление - частота, смесителя 19 и регистратора 20. Вибрирующий чувствительный элемент б связан с катушками 11, как описано выше. На схеме 3 эти связи указаны штриховыми линиями. Катушки 11 соединега : с сумматором 14, выход которого через предварительный усили тель 15 связан с одним из входов сме сителя 19, выход которого соединен с регистратором 20. Второй выход предварительного усилителя 15 соединен с возбуждающей катушкой 3 через включенные последовательно амплитудный селектор 16 и усилитель 17 мощности. Цепь 14-15-16-17-3 служит для периодического включения электромагнита Iвозбуждающей катушки) 3,. Резисггивный чувствительный элемент 10 соединен с входом преобразователя 18 сопротивление - частота, выходы которого подключены к второму входу смесителя 19, а также к входу регистратора 20. Плотномер работает следующим образом. При подаче питания на измерительную схему плотномера срабатывает электромагнит 3, который притягивает струну 6. При этом возникают колебания струну-1 с Частотой собственных колебаний для струны, находящейся в воздухе) ) где ii -. длина струны; То - сила-натяжения струны; fj, - линейная плотность струны. Собственную частоту малых колебаний струны, полностью погруженной в жидкость, можно рассчитать по форму -in/(f-ff-cyVe М где р - плотность жидкости,S - площаД1 -продольного разреза струны (миделево сечение) , С - положительный коэффициент, , зависящий от свойств жидкости (для воздуха ОО); Е - длина струны. В формуле (2) первое слагаемое определяет собственную частоту колебаний струны в воздухе, а второе слагаемое дает поправку, учитывающую влияние сопротивления жидкости на собственную частоту колебаний струны. Причем,,как видно из формулы (2), эта поправка всегда будет отрицательной, т.е. при полном погружении струны в жидкость ее собственная частота будет уменьшаться( . Для струны, частично погруженной в жидкость, аналитическое выражение для собственной частоты получить невозможно, однако, проведя достаточно громоздкий анализ, можно показать. что в форму)1е (2) под корнем первое Слагаемое не изменится, а во втором слагаемом вместо сомножителя t повляется функционал вида i(-),где . . :Л.. 2.- длина части струны, которая наодится в жидкости. Очевидно, что при|2-е€(|-Ьсу е $ {- 1$, а при (,-|-).o, где - собственная частота струны, астично погруженной в жидкость. Таким образом, если струну поместить на границу раздела вода -г воздух так, чт,о часть струны находится в воздухе, и периодически возбуждать собственные колебания, то частота будет определяться в каждый момент времени плотностью воды и амплитудой волны. Если же рядом с чувствительным элементом разместить параллельно ему резистивный чувствительный элемент (струну с большим удельным со- . противлением), то волна, шунтируя часть струны, будет изменять омическое сопротивление струны по закону изменения амплитуды волны, и по изменению этого сопротивления можно определить амплитуду волны, Если из амплитуды волны, получен ной с вибрирующего чупст витального элем ита, вычесть амплитуду волны, пол;--- енную с резистивного чувствительного элемента, которая от плотности воды не зависит, то получим величину, зависящую только от плотности воды, и потому являющуюся мер изменения плотности воды. Таким образом, возникшие колебания струны 6 вследствие присутствия води являются затухакщими. Как толь ко амплитуда колебаний струны, а следовательно, суммарная наведенная ЭДС на выходах приемных катушек 11, станет равной порогу чувствительнос ти . амплитудного селектора 16, через приемные кат,Т1КИ 11, сумматор 14 и предварительный усилитель 15 срабаты вает амплитудный селектор 16. Сигнал с амплитудного селектора 16 поступае на усилитель 17 мощности и далее на электромагнит 3. Процесс повторяется т.е. после действия каждого очередно го импульса амплитуда колебаний стру ны возрастает, а затем постепенно за тухает. Срабатывает .амплитудный селектор 16 и т.д. Резистивный чувствительный элемен 10, выполненный из высокоомного провода (например, манганина), вырабаты вает сигнал, пропорциональный, амплитуде волны. При этом морская вода щунтирует тот участок струны, которы находится в ней. Так образом, сопротивление струны изменяется пропорцио нально амплитуде морской волны. С вы хода резистивного чувствительного элемента 10 сигнал поступает на вход преобразователя 18 сопротивление - ча тбта и далее в смеситель 19. Одновре менно в смеситель 19 поступает сигна с выхода предварительного усилителя 15. Результирующий сигнал, длитель ность импульса которого пропорциональна плотности морской воды, с выхода смесителя 19 поступает на регистратор (Частотомер) 20,где одновременно регистрируется частота с выхода преобразователя 18 сопротивление - частота, несущая информацию об амплитуде морской волны. Длительность импульса результирующего сигнала, поступающего со сме сителя 19 на регистратор 20, пропорциональна только плотности морской воды, поскольку, как показано выше, в смесителе 19 взаимно компенсируются составляющая сигнала чувствительного элемента б, зависящая от амплитуды волны, и сигнал с резистивного элемента 10, также пропорциональный амплитуде волны. Таким образом, применение предлагаемого изобретения увеличивает точiHocTb измерения в условиях волнения моря и упрощает измерительную систему, так как отпадает необходимость применения следящей системы границы раздела вода - воздух. При этом вибрирующий чувствительный элемент не обрастает микроорганизмами, а расположение резистивного чувствительного элемента рядом с вибрирующим чувствительным элементом приводит к тому, что и резистивный чувствительный элемент также не подвергается обрастанию вследствие колебаний воды, вызванных вибрирующим чувствительным элементом. Следовательно, кроме повышения точности, повышается надеж- . ность и долговечность чувствительных элементов. В связи с тем, что, кроме основного параметра - плотности морской воды, одновременно регистрируется и амплитуда морской волны, расширяются функциональные возможности устройства, Резистивные чувствительные элементы обеспечивают измерение амплитуды морской волны с точностью ±1 мм. Эта погрешность определяется в основном физико-химическими свойствами жидкости. Покажем, какую погрешность может внести присоединенная масса воды высотой 1 мм. Присоединенная масса воды определяется так: ,, сГм -Tfv р. (3) Пусть диаметр вибрирующего чувствительного элемента (струны) равен 0,5 мм, а плотность морской воды 1,01 г/см .В этом случае присоединенная масса воды равна 863510 г. .Если в воде находится 1 м вибрирующего чувствительного элемента, на него , действует присоединенная масса воды, равнс1я 86,3510 г. Масса 1 м стальвой струны по формуле (3) равна 6,0445 г, Рст 77 г/см. Если плот-; номер не погружен в жидкость, то основная частота вибрирующего чувствительного элемента в воздухе 70 Гц (олитный образец плотномера). Опреде лим изменение частоты ви брирукнце го чувствительного элемента по фсчэмуле f-- oVvMe7K «cM We),(41 где Viij, - масса струны; Упg - присоединенная масса волы. Если плотномер погружен в воду, о при длине струны 2 м определеная по формуле (4) частота на выходе редварительного усилителя 15 равна 5,479001 Гц. Определим изменение астоты вибрирующего чувствительного лемента с учетом погрешности tl мм. этом случае частота на выходе пребразователя 18 сопротивление - часота равна 65,476957 Гц. Погрешность, носимая резистивным чувствительным лементом, точность которого i: 1 мм, ля.плотности воды 1,01 г/см равна

0,0031%. Очевидно, с увеличением плотности воды погрешность должна возрасти.

Проведем аналогичные расчеты для плотности морЬкой воды 1,2 г/см (плотность морской воды в заливе Кара-Богаз-Гол), В этом случае присоединенная масса на 1 м столба воды равна 94310 г, соответственно на 1 м чувствительного элемента воды она равна 94210 г. Бели плотномер полностью погружен в воду, при 2 м частота на выходе предварительного усилителя 15 равна .65,1101 Гц.

Определим частоту на выходе смесителя 19 с учетом norpeitiHocTH, вноСИМОЙ резистивннм чувствительным элементом, точность которого ±1 мм для плотности воды 1,2 г/см. Частота на выходе преобразователя 18 сопротивление - частота 65,10791 Гц, cooTBeTCTBegHo на выходе смесителя 19 0,00219 Гц. Отсюда погрешность составляет 0,033%.

Таким образом, погрешность, вносимая резистивным чувствительным .элементом для разных плотностей морской воды в предельном случае не превыш ет 0,033%, Сравним эту погрешность с погрешностью проточного плотномера с замкнутым камертоном, которая только от нелинейности последнего составляет 0,5%.

Однако целью изобретения является повышение точности измерения профиля плотности жидкости на границе раздела. Классическим методом измерения профиля различных физическ 1х величин является метод, основанный на привязке первичного преобразователя к нестационарной границе раздела. Осуществляется этот метод, например, с помощью устройства для измерения профиля гидрофизических величин на границе раздела. Устройство представляет собой систему автоматизированного электропривода, осуществляющего протяжку первичных преобразователей вертикально относительно границы раздела. Основным задающим элементом такого устройства является волнограф при измерениях в условиях морского волнения,. Волна, является возмущающим воздействием системы.

Поддержание заданной точности регулируемой величины при различных возмущениях является определяющим показателем качества статических в установившемся режиме.

Основа статических расчетов автоматизированных систем выражается известным уравнением

.fc ,

(F)

где A:°/O - статическая точность; дР7с. отклонение регулируемой

величины в разомкнутой системе;| - статический коэффициент

усиления разомкнутой системы, требуемый для обеспечения заданной точности. Статическая точность равна 2,5%. Экспериментально установлено, что точность определения плотности предлагаемым плотномером не превышает 0,6%. Следовательно, точность измерения профиля плотности жидкости на границе -раздела предлагаемым устройством превышает в 4 раза точность измерения устройством, осуществляющим привязку плотномера к нестационарной границе раздела. При этом расширены фуйкцибнальные возможности плотномера, так как он одновременно регистрирует амплитуду волны.

/,

т

irvJAVsX

5

/

Фиг. 2

ПЛОТНОМЕР, со ержагдай вибрирующий чувствительный элемент,возбуждающую и приемную катушки, оси которых лежат в плоскостях, перпендикулярных чувствительному элементу,расположенному вблизи катушек, предварительный усилитель и регистратор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения профиля плотности жидкости, в него дополнительно введены резистивный чувствительный элемент, изготовленный из проволоки с высоким омическим сопротивлением и расположенный параллельно вибрирующему чувствительному элементу, сумматор, амплитудный селектор, преобразователь сопротивление - частота, смеситель, усилитель мощности, причем выходы приемных катушек соединены с входами сумматора, .выход которого последовательно через предварительный усилитель, амплитудный селектор и усилитель мощности связан с входом возбуждающей катушки, а выход резистивного чувствительного элемента соединен с входом преобра- :зователя. сопротивление - частота,первый выход которого соединен с первым § входом смесителя, а второй выход - с , первым входом регистратора, при этом второй вход смесителя соединен с вторым выхбдом предварительного усилителя , а выход смесителя соединен с вторым входом регистратора.